第八章微纳光电材料及器件

1、第八章第八章 微微纳光电纳光电材料及器件材料及器件8.1 纳米光电材料及器件纳米光电材料及器件 纳米材料是一种粒子尺寸在0.1到100nm的材料。纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。其中最重要的一点就是实现光电转化。其原理如下： 纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。 纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。 一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。分为纳米线和纳米管。 纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小

2、的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜纳米光电材料的性能:小尺寸效应表面效应量子尺寸效应纳米光电器件纳米光电器件 量子点光电器件量子点太阳能电池量子点发光二极管量子点激光器 纳米线光电器件光子晶体指介电常数(或折射率)周期性变化的一类物质，英文PhotonicCrystal，简称PC。1.1987年，E.Yablonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出光子晶体这一新概念。2.1991年，Yablonovitch在实验室中人工制造了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。8.2 光子晶体及光子晶体器件光子晶体及光子晶体器件 光子晶体（光子晶体（phot

3、onic crystal） 是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料微结构材料，其，其最根本的特征是具有光子禁带最根本的特征是具有光子禁带。光子晶体图示光子晶体概念的产生： 众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。 科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的 晶体内部的原子是周期性有序排列的，这晶体内部的原子是周期性有序排列的，这种周期势场的存在，使运动的电子受到周期种周期势场的存在，使运动

4、的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。落在带隙中，就无法继续传播。 相似的，在光子晶体中是由相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。中的运动。光子晶体概念的产生：光子晶体概念的产生：到1987年，E. Yablonovitch及S. John不约而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料

5、中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonicbandstructures)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonicband-gapsystem，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photoniccrystals)。自然界中的光子晶体：光子晶体虽然是个新名词，但自然界中早已存在拥有这种性质的物质。自然界中的光子晶体 盛产于澳洲的宝石蛋白石盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano

6、-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关， 而而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果次微米结构，选择性反射

7、日光的结果. 翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶 2003 2003年年ANDREW R. PARKERANDREW R. PARKER等等发现一种澳洲昆士兰的东北部发现一种澳洲昆士兰的东北部森林的甲虫（森林的甲虫（Pachyrhynchus Pachyrhynchus argusargus），它的外壳分布有和蛋），它的外壳分布有和蛋白石一样的光子晶体结构类似白石一样的光子晶体结构类似物，其具有从任何方向都可见物，其具有从任何方向都可见的金属色泽。的金属色泽。 这种栖息于大陆棚上有着刺这种栖息于大陆棚上有着刺毛的低等海生无脊椎动物毛的低等海生无脊椎动物海毛虫海毛虫(s

8、ea mouse)具有引人瞩目的虹彩。具有引人瞩目的虹彩。此种海毛虫的刺毛是由为数众多之此种海毛虫的刺毛是由为数众多之六角圆柱体层层叠积形成的结晶状六角圆柱体层层叠积形成的结晶状构造物构造物,其具有与光子晶体光纤其具有与光子晶体光纤 (photonic crystal fiber)-一样的物一样的物理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且仅反射某些波长的色光而发出鲜仅反射某些波长的色光而发出鲜明色彩明色彩固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如右图光子光子电子电子服从方程麦克斯韦（Maxwell）

9、方程薛定谔方程对应波矢量波标量波自旋自旋为1的玻色子自旋为1/2的费米子相互作用没有很强第一个功败垂成的三维光子晶体第一个功败垂成的三维光子晶体 遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之之故，故， 在在W和和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙虚能隙(pseudo gap) 1989年，Yablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在。实验中采用的周期性介电系统是A

10、l2O3块材中，按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式钻了将近八千个球状空洞，如此形成一个人造的巨观晶体。三氧化二铝和空气的介电常数分别为12.5和1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据根据实验量得的透射频谱，所对应的三维实验量得的透射频谱，所对应的三维能带结构右图所能带结构右图所 示：示： 最初光子晶体的人工制备： 两年之后，Yablonovitch等人卷土重来， 这回他们调整制作方式，在块材上沿三个夹120度角的轴钻洞，如此得到的fcc晶格含有非球形的“原子”(如右图)， 终于打破了对称的束缚，在微波波段获得真正的绝对能隙，证实该系统为一个光子绝缘体(

11、photonic insulator)。第一个具有绝对能第一个具有绝对能隙的光子晶体，及隙的光子晶体，及其经过特别设计的其经过特别设计的制作方式制作方式基本特性基本特性光子晶体通常具有:光子禁带结构、异常色散和抑制原子的自发辐射的特点左手材料光子晶体器件光子晶体器件光子晶体的这些特性可用于光纤通讯、微波器件、光路集成、光开关、滤波器件等方面。目前，市场上已经有基于光子晶体的光纤和波分复用器件产品。光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制

12、在光纤芯区传播。特点：1.实现大功率单模激光传输；.2.宽波段的单模性质3.具有良好的色散性质4.高的双折射特性5.可以实现多芯传输大模场晶体光纤多模晶体光纤多模大数值孔径晶体光纤高非线性晶体光纤保偏非线性晶体光纤不同波长的光穿过光纤纤芯的速度也不同。考虑长距传输时，在信号中就将出现时间延迟，所以信号就需要在不同的波长编码。光纤纤芯越粗延迟越厉害，通过这样的纤维的一个光脉冲变宽，必将限制能精确接收的数据率。传统光纤的缺点解决的方法还有一种就是采用单模光纤，即尽量减少光纤纤芯的直径，从而可以只允许一个模式的光路通过，从而避免上述问题。但同时成本将大大提高。光子晶体光纤光子晶体带隙保证了能量基本无

13、损失，而且不会出现延迟等现象。英国Bath大学的研究人员用二维光子晶体成功制成新型光纤：由几百个传统的氧化硅棒和氧化硅毛细管依次绑在一起组成六角阵列，然后烧结从而形成蜂窝结构亚微米空气孔。引入额外空气孔做为导光通道，可导波的范围很大，从而增加数据传输量。如图是目前英国斯温如图是目前英国斯温顿顿Bath大学的实验性大学的实验性光子晶体光纤实物图光子晶体光纤实物图和传输效果图。和传输效果图。(a)普通光纤,(b)-(c)光子晶体光纤l利用包层对一定波长利用包层对一定波长的光形成光子能隙，的光形成光子能隙，光波只能在芯层形成光波只能在芯层形成的缺陷中存在和传播的缺陷中存在和传播。l能量传输基本无损失

14、，能量传输基本无损失，也不会出现延迟等影也不会出现延迟等影响数据传输率的现象。响数据传输率的现象。l光子晶体制成的光纤光子晶体制成的光纤具有极宽的传输频带，具有极宽的传输频带，可全波段传输可全波段传输。一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的无数次的反射，大部分光不能有效地耦合出去，二极管的光辐射效率很低。如果将发光二极管的发光中心置入一块特制的光子晶体中，并使得该发光中心的自发辐射频率与该光子晶体的光子禁带重合，则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中，而只能沿着特定设计的方向辐射并传导出去。实验表明，采用光子晶体后，发光二极管的效率会从目前的10左右提高到90以上。光子晶体发光二

15、极管光子晶体发光二极管左边是传统的LED结构，可以看到它的全反射，现有的LED临界度是比较小的，相对的，光子晶体蓝色LED所设计出来的LED，由于衍射的关系，可以修正光的角度，修正后的光可以可进入临界角投射到外面，改善过去LED的光会全部反射的问题。在光子晶体的表面都覆上了一整面的透明电极，这样一个独特设计，使得大面积的发光能够具体实现。光子晶体LED的效率比一般的LED高出50。(a)topxiewofPhCblueLED(b)Cross-sectionviewof2-DPhC日本松下电器第一个将光子晶体运用导入蓝色LED传统激光器的缺点发射波长的变化会改变传输损耗耦合效率不高辐射角比较大随

16、功率的增加线宽趋于饱和，并重新展宽激光激光发射器发射器 但如果在一块三维光子晶体的光子禁带中引入缺陷，然后在其中放置工作物质，缺陷态将构成一个波导，激光发出的方向将沿此方向，同样自发辐射也只能沿此方向，即自发辐射与激光出射方向角几乎为零。这样几乎所有的自发辐射都用来激发已实现反转分布的激活介质而无其他损失。泵浦的能量几乎全部用来产生激光， 这使激光器阈值降低，并且提高了能量转换效率。这种激光器体积小、 阈值低， 功率高、 易于光纤耦合， 且可在小区域密集分布的。出现在能隙中的缺陷态出现在能隙中的缺陷态光子晶体激光器顶部和剖面示意图1999年，美国加州理工学院谢勒(AScherer)领导的研究组

17、首次报道了可在室温下工作且运转在1550纳米的光子晶体激光器。什么是超材料？什么是超材料？8.3 超材料及相关器件超材料及相关器件超材料的三个重要特征超材料的三个重要特征 超超材料通常是具有材料通常是具有新奇人工结构的复合材料新奇人工结构的复合材料； 超材料具有超材料具有超常的物理性质超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不（往往是自然界的材料中所不具备的）；具备的）； 超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而超材料性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决决定于其中的人工结构定于其中的人工结构。负折射率的预言负折射率的预言。，有无源各向同性介质中，质方程各向同性介质的电磁性。，式如

18、下：麦克斯韦方程的微分形tEHtHEHEEjHBEDtDjHtBEBD000000000., ,0构成右手系。和，定义其中两两垂直，均与可以看出代入麦克斯韦方程得系如下：此时偏微分算子对应关为波，可设其电磁场分别对于时谐单色平面电磁kHEkcnkkkHEEHkHEkHkEkjtjkeHHeEErktjrktj,2,., 0, 0/,00)(0)(020022200202002022,/1/1E0)()()(ncnccnkkEkEkHkHkEkEkEkkEkkk所以有而光速的定义为另一方面由定义有有非零解时要求把第四式代入上式，有即叉乘得第三式两边用., 0, 000EHkHEkHkEk 那么折

19、射率就有正负两个根： 我们习惯上舍弃负根，只保留正根。 什么情况下折射率才取负值？2nnn,定义定义带入第三和第四式，得带入第三和第四式，得 按照定义，按照定义，E, H 和单位矢量和单位矢量 成右手系，成右手系，所以以上两式左边系数必皆为正，即要求所以以上两式左边系数必皆为正，即要求折射率折射率n和介电常数和介电常数 、磁导率、磁导率 同号。同号。kcnkk2., 0, 000EHkHEkHkEkEHkcnHEkcn00k2n. 0n0, 0; 0n0, 0时，当时，当Veselago在在1967年预言了负折射率的存在。年预言了负折射率的存在。 由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所以，负折射率介质又称左手介质，相应地，正折射率介以，负折射率介质又称左手介质，相应地，正折射率介质被称为右手介质。负折射率材料中，能流方向和相速质被称为右手介质。负折射率材料中，能流方向和相速度方向相反。度方向相反。自然界中的材料自然界中的材料负折射率负折射率反常Doppler效应 声波的Doppler效应。 在正常材料中，波源和观察者如果发生相对移动，会出现Doppler效应：两者相向而行，观察者接收到的频率会升高，反之会降低。 但在负群速度材料中正好相反，因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以如果二者